El nombre Tolcayuca ha sido escrito de muchas formas a lo largo del tiempo.^[6]​ De acuerdo a la Enciclopedia de los Municipios de México, resguardada en la UAEH,^[7]​ Tolcayuca significa «Lugar en donde se inclina la cabeza»,^[8]​^[9]​ pues proviene del Nahuatl Tolocayotl «la acción de agachar la cabeza»^[10]​ o del verbo Tolca «inclinar la cabeza».^[7]​

Sin embargo, esta última interpretación es errónea por varias razones. De acuerdo a los diccionarios del idioma Nahuatl, el verbo «tragar o inclinar la cabeza» se traduce como Toloa,^[11]​^[12]​ escrito con dos letras O. Mientras que la palabra Tolca, escrita con la letra C, se derivaría del Nahuatl Tolcalli «arco arquitectónico».^[13]​^[14]​ Sirvase por ejemplo que Tollohcan y toloache son derivados del verbo Toloa «agachar la cabeza»;^[15]​ y que el mismo glifo de Tollocan tiene la figura de una persona agachada.

Tolcayuca y sus alrededores son registrados por primera vez con el nombre de San Xuan Tolquauhyocan en los Códices Techialoyan del siglo XVII.^[16]​^[6]​ En la entrada sobre tlatilia en el diccionario náhuatl de la Universidad de Oregón también se registran los nombres de los pueblos vecinos: Huauhquilpan, Acayocan, Zapotitlan, Zacamolpan y Tolcuauhyocan, este último con el significado de «Lugar de juncos gordos».^[17]​^[18]​ Finalmente, Tolcuauhyocan está representada en el Códice Xólotl con un glifo compuesto por los signos para tollin «tule» y cuahuitl «árbol».^[19]​^[20]​

De todas formas, derivado de Tolocayotl «la acción de agachar la cabeza»^[10]​ y can «lugar», Tolcayuca significa «Lugar en donde se agachan o inclinan la cabeza»;^[8]​ mientras que derivado de Tolcalli «arco arquitectónico»^[13]​^[14]​ y yocan «lugar de abundancia», Tolcayuca significaría «Lugar en donde abundan los arcos para agachar la cabeza».

Se encuentra en el Valle de Tizayuca,^[21]​ le corresponden las coordenadas geográficas 19°57′23.728″ de latitud norte y 99°55′18.34″ de longitud oeste, con una altitud de 2378 m s. n. m.^[22]​ Cuenta con un clima Templado subhúmedo con lluvias en verano, de menor humedad;^[23]​^[24]​ registra una temperatura media anual de 16.2 °C, precipitación pluvial de 557 milímetros por año.^[25]​

En cuanto a fisiografía, se encuentra dentro de la provincia de la Eje Neovolcánico dentro de la subprovincia de Llanuras y Sierras de Querétaro e Hidalgo; su terreno es de llanura y Sierra.^[23]​^[24]​^[26]​ En lo que respecta a la hidrografía se encuentra posicionado en la región Panuco, dentro de la cuenca del río Moctezuma, en la subcuenca del río Tezontepec.^[23]​^[24]​^[27]​

De acuerdo con el Censo de Población y Vivienda 2020 del INEGI; la localidad tiene una población de 8966 habitantes, lo que representa el 20.78 % de la población municipal.^[1]​^[28]​ De los cuales 4304 son hombres y 4662 son mujeres; con una relación de 92.32 hombres por 100 mujeres.^[1]​^[28]​

Las personas que hablan alguna lengua indígena, es de 43 personas, alrededor del 0.48 % de la población de la ciudad.^[1]​ En la ciudad hay 111 personas que se consideran afromexicanos o afrodescendientes, alrededor del 1.24 % de la población de la ciudad.^[1]​

De acuerdo con datos del censo INEGI 2020, unas 7318 declaran practicar la religión católica; unas 633 personas declararon profesar una religión protestante o cristiano evangélico; 9 personas declararon otra religión; y unas 996 personas que declararon no tener religión o no estar adscritas en alguna.^[1]​

Gráfica de evolución demográfica de Tolcayuca entre 1900 y 2020

Población de los censos y conteos del Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI).[22]​

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